Conception et réalisation d’une méthode de caractérisation hyperfréquence large bande : application à la mesure des propriétés électromagnétiques des diélectriques et des ferrites aimantés
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Abstract EN:
The electromagnetic (EM) characterization of materials is an important phase in the design process of telecommunication devices and systems, in particular in those used in signal processing applications. The magnetic media used in microwave frequencies (ferrites, magnetodielectric composites, etc. ) imposes some difficulties in this area because of the anisotropy and the strong dispersion of ferrites EM properties. One particularity of ferrite characterization is related to the fact that their properties have to be measured at different magnetization states. Currently, no standard measurement method is able to estimate the variation of their properties if their magnetization state is modified. Thus, methods giving direct access b the permeability tensor elements must be developed, considering a wide frequency range and the different magnetization states of the material. The objective of this thesis was to design and develop an EM characterization method for magnetized ferrites from 100 MHz to 10 GHz. We proposed an original measurement cell based on a non-reciprocal stripline structure. To develop the data processing program of the method, we analyzed the measurement cell using a full-wave technique in which we take into account the fundamental propagation mode and the superior modes, in particular the exited magnetostatic modes. We showed that these modes have an important influence on the propagation of the EM wave inside the measurement cell, hence modifying the precision of the obtained results. To minimize the errors related to the signal to noise ratio (SIN) of the measuring equipment (vector network analyzer), we chose a broadband resolution of the inverse problem of the method. This enables the characterization of longer samples (more volume) that those used in traditional techniques (based on monofrequential inverse problem resolutions), thus enhancing the wave/material interaction and the precision of the measurements. The characterization method was validated using samples of well-known EM characteristics and by comparison with 3D simulations (Ansoft HFSS software). The developed method gives the possibility to characterize some of the material properties often used by the ferrite manufacturers and non-reciprocal deceives designers like S\DeltaSH or the gyromagnetic resonance frequency (FRM). This method also authorizes broadband EM characterization of dielectric samples. These two last advantages give a very general character to the method.
Abstract FR:
La caractérisation électromagnétique (EM) des matériaux rentrant dans la fabrication des dispositifs et systèmes de télécommunication est une étape importante dans la conception des fonctions de traitement du signal. Le cas des milieux magnétiques utilisés dans le domaine des hyperfréquences (ferrites, composites magnétodiélectriques) induit des difficultés importantes dans cette problématique en raison de l’anisotropie et de la forte dispersion de leurs propriétés EM. Une autre particularité de la caractérisation des ferrites est liée an fait que leurs propriétés sont mesurées dans les différents états d’aimantation par des techniques différentes. Actuellement aucune méthode n’est capable d’estimer la variation de leurs propriétés si l’état d’aimantation est modifié. Pour contourner toutes ces difficultés, des méthodes donnant accès directement aux éléments du tenseur perméabilité, sur un large bande de fréquences et quelque soit l’état d’aimantation du matériaux, doivent être développés. L’objective de cette thèse était de concevoir et réaliser une technique de caractérisation EM large bande des ferrites aimantés dans la bande de 100 MHz à 10 GHz. Nous avons proposé une cellule de mesure originale de type triplaque non réciproque. Pour constituer le programme de dépouillement des données mesurées, nous avons analysé la cellule à l’aide d’une méthode dynamique prenant en compte le mode fondamental de propagation et les modes d’ordre supérieur, notamment ceux de type magnétostatique. Nous avons montré que ces modes influencent de manière importante la propagation de l’onde EM dans la cellule et donc finalement la précision des résultats obtenus, Pour minimiser les erreurs de mesure liées au rapport signal sur brait 4 l’appareillage de mesure (analyseur de réseaux), nous avons opté pour une résolution du problème inverse simultanément sur toute la bande exploitée, autorisant la caractérisation d’échantillons de volume plus importante par rapport au techniques classiques (basés sur un dépouillement fréquence par fréquence). La méthode de caractérisation conçue et réalisée a été validée à l’aide des échantillons aux propriétés connues et par confrontation avec des résultats de simulations dans leur domaine de validité. Enfin, elle donne aussi accès à des grandeurs usuelles souvent utilisées par les fabricants de ferrites et les concepteurs de circulateurs ou autres dispositifs nonréciproques (largeur de raie S\DeltaSH ou la fréquence de résonance gyromagnétique). Cette méthode autorise également la caractérisation EM large bande d’échantillons diélectriques. Ces deux derniers avantages lui confièrent un caractère très général, voire universel.